病理生理学第四章

123第四章酸碱平衡紊乱按照普通化学的概念，在化学反应中凡能释放H+的化学物质称为酸，如HCl、H2SO4、NH4+、H3PO4、H2CO3及CH3COOH等；而在化学反应中凡能接受H+的化学物质称为碱，如OH、SO42、NH3、H2PO4、HCO3及CH3COO等。一种化学物质作为酸而释放出H+时，必然同时有一种碱形成；同理，当一种化学物质作为碱而接受H+时，也必然有一种酸形成。例如：H2SO4H+＋HSO4，H2CO3H+＋HCO3等，人体内的酸性和碱性物质，主要是机体的物质代谢过程中产生的。一般情况下，由食物中摄取的酸和碱很少。机体产生的酸包括挥发性酸和非挥发性酸，后者又称固定酸。碳酸属于挥发性酸，容易分解为CO2经肺排出体外。人体代谢过程中，糖、脂肪和蛋白质的氧化分解产生能量，同时不断脱氢、脱羧，释放的CO2与水结合生成碳酸(CO2＋H2OH2CO3)。成人在安124静状况下每天产生的CO2约300~400升，如果全部生成H2CO3，释放的H+可多达15mol。物质代谢过程中也产生许多非挥发性酸，如丙酮酸、乳酸、柠檬酸及大量脂肪酸、氨基酸等有机酸。代谢过程中还会产生一些磷酸、硫酸、尿酸等终末代谢产物。这些酸都属于固定酸，其总量比碳酸少，正常成人24小时内由固定酸产生的H+约50～90mmol，最终经肾脏排出体外。人体酸性物质的另一来源是直接摄入，包括饮食中所含的少量酸及服用的酸性药物等。人体的物质代谢过程中也产生碱性物质，不过其量很少。氨基酸脱氨产生的NH3和肾小管上皮细胞分泌的NH3，均可与H+结合随尿排出。摄取的食物中所含的有机酸盐，如柠檬酸盐、苹果酸盐等，在细胞内分别转变为柠檬酸、苹果酸而彻底分解，所含的K+、Na+则可与HCO3125第一节机体对酸碱平衡的调节人体的组织细胞必须处于适宜的酸碱环境中，才能进行正常的机能活动和代谢活动。正常人体虽然不断地摄取和生成酸性及碱性物质，但是血液的pH值是相对恒定的，正常人动脉血液的pH为7.35～7.45，平均7.40。这是因为人体内存在着精细的酸碱平衡调节机制。这血液中有一系列缓冲物质。根据化学上的缓冲作用原理，我们人为地把它们归纳为四个主要的缓冲对，即NaHCO3/H2CO3，Na2HPO4/NaH2PO4，B·血浆蛋白/H·血浆蛋白，B·Hb/H·Hb。它们具有很强而且很迅速的缓冲酸碱度改变的能力。例如，我们将10mmol的HCl加于1000毫升中性蒸馏水中，其pH值可从7降至2，但同量酸加于1000毫升血浆中，其pH值的变化却很小，以致一般几乎测不出126每一对缓冲物质既能缓冲酸也能缓冲碱，其中以NaHCO3和H2C3组成的缓冲对最为重要。当强酸或强碱进入血液时，就是它们首先HCl＋NaHCO3→H2CO3＋NaCl(强酸)(弱酸)H2O＋CO2NaOH＋H2CO3→NaHCO3＋H2O(强碱)(弱碱)经肾脏排出与其它缓冲对相比，人体血浆碳酸氢盐缓冲对含量最高，作用最强大，决定着细胞外液的pH值。血浆碳酸氢盐含量为24mmol/L，约占全血缓冲碱的一半；其缓冲能力为1升血液的碳酸氢盐可中和18mmol/L的盐酸，是其余缓冲对缓冲能力的两倍。按Henderson-Hasselbalch方程式计算，细胞外液的pH值就取决于〔NaHCO3〕/〔H2CO3〕的比值。另外，碳酸氢盐缓冲对中的127H2CO3可以分解释放CO2，通过肺的呼吸功能不断排出体外，使血液的缓冲调节与肺的调节作用联系在一起；而该缓冲对中的NaHCO3的浓度主要受肾脏的调节，当血浆NaHCO3浓度降低时，肾小管重吸收NaHCO3增多，反之，血浆NaHCO3浓度增高时，肾小管重吸收减少，血液的缓冲调节也与肾脏的调节作用联系在一二、组织细胞对酸碱平衡的调节作用人体细胞内液占体液总量的2/3，在酸碱平衡调节中也发挥重要作用。细胞内液的缓冲作用首先是通过细胞膜内外的离子交换而实现的。当能改变酸碱平衡的离子如H+、HCO3等在细胞外液中升高时，它们能进入细胞内。例如：酸中毒时，由于细胞外液H+浓度增加，H+依浓度梯度弥散入细胞内，而细胞内液的K+则因静电吸引移出细胞，以维持电中性。碱中毒时恰好相反，H+移出细胞，而K+进入细胞。这种离子交换的结果，能使细胞外液H+浓度的变128化得到缓冲。但是，K+的交换却能影响细胞外液的K+浓度，以致酸中毒时往往伴发高钾血症，而碱中进入细胞内的H+可与细胞内液的缓冲对，如磷酸盐缓冲对、血红蛋白缓冲对等发生反应而被缓冲，根据实验研究估算，细胞外液中的酸或碱增加后，经2～4h将有1/2的量进入细胞内。这个事实与治疗有关，在纠正酸碱中毒计算输液量时要将离子转移这一变化估计在一些持续时间较久的代谢性酸中毒患者，组织内发生大量钙盐分解，以缓冲过多的H+，其反应过程缓慢而持久，往往能引起骨骼基质的破坏。某些慢性肾功能衰竭的病人和肾小管性酸中毒患者，可因此而发生骨质脱钙、骨质三、肺在酸碱平衡调节肺通过改变肺泡通气量控制CO2的排出量，维持血浆中HCO3和H2CO3的正常比值，从而129参与机体酸碱平衡的调节，作用快而有效，一般10～30min可发挥最大作用。从上面介绍的缓冲反应来看，每排出一个CO2分子，也就等于清除了一个H+，如：H+＋HCO3H2CO3H2O＋CO2↑(增多)(呼出)呼吸运动受呼吸中枢的控制，延髓呼吸中枢接受来自中枢化学感受器和外周化学感受器的传入冲动。中枢化学感受器位于延髓腹外侧浅表部位，对动脉血液的二氧化碳分压(PaCO2)变化非常敏感。PaCO2增高，可以刺激中枢化学感受器，反射性地兴奋呼吸中枢，引起呼吸加深加快，肺泡通气量增大，CO2大量呼出，使PaCO2和血中H2CO3浓度降低。与之相反，PaCO2降低，则使化学感受器和呼吸中枢的兴奋性降低，呼吸变浅变慢甚至暂停，因此可使PaCO2增高，血液H2CO3浓度升高。正常人PaCO2正常值为5.32kPa(40mmHg)。但若PaCO2超过10.64kPa(80mmHg)，则呼吸中枢反而受130到抑制。颈动脉体和主动脉体属外周化学感受器。特别是颈动脉体，对缺氧、pH值和PaCO2的改变比较敏感，当PaO2降低，PaCO2升高或H+浓度升高时，传入冲动即增加，使呼吸中枢兴奋。PaO2降低对呼吸中枢的直接作用是轻度抑制效应，但却能通过刺激外周化学感受器，增加通气量。不过，正常情况下中枢化学感受器的调节作用远较外周化学感受器的调节作用肾脏是机体酸碱平衡调节的最终保证。因为只有可挥发酸H2CO3可以CO2的方式经肺排出体外，而其它非挥发酸和碱性化合物均需通过肾脏的泌尿功能排出体外。肾脏调节和维持血液pH的作用缓慢而有效，一般在4～5h后开始发挥作用，4~5d后出现明显效果。其主要机制是肾小管泌H+、NH4+，重吸收NaHCO3和排(一)泌H+和重吸收NaHCO3131虽然全部肾小管的细胞都有分泌H+的功能，但主要部位在近曲小管，此处的分泌量占H+分泌总量的85%。H+的分泌是主动的，是以H+-Na+交换形式进行的。具体过程是：肾小管上皮细胞内的CO2和H2O在碳酸酐酶催化下，生成H2CO3，而后H2CO3快速解离成H+和HCO3，H+被肾小管细胞主动分泌入管腔，同时小管液中的Na+被动进入细胞内，形成H+-Na+交换。当Na+从细胞内向细胞间液主动转运时，细胞内的HCO3和Cl就顺着电化学梯度被动弥散入组织间液，并伴有水的等比例重吸收。这里与Cl相比，HCO3优先被重吸收，形成NaHCO3回到血液循环中。肾小管上皮细胞分泌的H+则与管腔内的HCO3生成H2CO3，在肾小管上皮细胞刷状缘碳酸酐酶作用下分解为CO２和H2O，H2O随尿排出体外，CO2又扩散到肾小管上皮细胞内，与其中的H2O在碳酸酐酶的作用下再结合生成H2CO3。分泌的H+最终以H2O的形式随尿排出(图4-1)132图4-1H+分泌和HCO3重吸收过程示意图CA：碳酸酐酶在远曲小管和集合管处，除了H+-Na+交换外，还有K+-Na+交换，两者是相互竞争的。即K+多则H+分泌少，H+多则K+分泌少。例如在酸中毒的情况下，肾小管细胞内碳酸酐酶活性增强，H+生成量增加，于是H+-Na+交换增加，而K+-Na+交换减少，从而导致尿中H+浓度增加和血液中K+浓度增高；如果用乙酰唑胺抑制碳133酸酐酶活性时，则H+生成量减少，于是H+-Na+交换减少而K+-Na+交换增加，结果引起尿排K+量增加和血液中H+浓度增高。(二)产NH3排NH4+在远曲小管、集合管上皮细胞内生成的NH3，60%由谷氨酰胺脱氨而来，其余的40%来自其它氨基酸的氧化脱氨。生成的NH3具有脂溶性，能通过细胞膜进入肾小管管腔，并与小管液中的H+结合生成NH4+。NH4+带电荷，水溶性，不易透过细胞膜返回肾小管上皮细胞内。生成的NH4+可与小管液中强酸盐(如NaCl)的负离子结合，生成酸性铵盐如NH4Cl随尿排出。强酸盐的正离子如Na+则与H+交换而进入细胞内，和HCO3一起转运回血。因此，肾脏排NH4+，实际上是排出H+，并促进NaHCO3的重吸收(图4-2)(三)尿中的可滴定酸主要是指尿中的H2PO4，用NaOH把尿滴定至与血浆相同的pH值，即134图4-2远曲小管和集合管中氨分泌过程示意图CA：碳酸酐酶可测知可滴定酸量。它是由H+与缓冲物质，主要是HPO42肾小管上皮细胞分泌的H+，在近曲小管几乎全部用于重吸收HCO3，在远曲小管则几乎全部用于生成可滴定酸和NH4+。这与肾脏疾病时的代谢性酸中毒如肾小管性酸中毒的关系密正常人体血液pH为7.40时，血浆〔HPO42+〕与〔H2PO4〕的比值是4∶1。近曲小管管腔液135中两者的比值与血浆相似。当原尿流经远曲小管时，由于肾小管上皮细胞分泌H+，使Na2HPO4转变为NaH2PO4随尿排出；置换出来的Na+则进入细胞，与HCO3结合成NaHCO3进入血液。当体内酸性产物增多时，随着肾小管泌H+增多，绝大多数Na２HPO4转变为酸性较强的NaH2PO4，能使管腔液中它们的比值由原来的4∶1变为1∶99，尿液的pH可降低到4.8左右，从而成为肾脏排H+的一种重要方式。但是，通过磷酸盐缓冲对增加酸分泌的作用是有限的，因为当尿pH低于5.0时，尿中所有的Na2HPO4都已转变为NaH2PO4，进一步发挥缓冲作用已不可能(图4-3)综上所述，肾脏一方面全部重吸收肾小管滤液中的HCO3，另一方面肾小管上皮细胞分泌H+与肾小管滤液中的NH3或HPO42结合，形成NH4+或H2PO4随尿排出，在酸碱平衡调节中136图4-3泌H+和排出可滴定酸过程示意图CA：碳酸酐酶第二节反映血液酸碱平衡状态的指标及其意义判断人体的酸碱平衡状态，特别是确定酸碱紊乱的性质和程度、提供临床诊断和治疗的依据，仅仅应用pH值一项指标是不充分的，实际应用中必须结合反映呼吸因素的指标和反映代谢因素的指标，参照临床资料综合分析，才能得出正确的结论。为了深刻理解和掌握这些137指标，首先需在理论上阐明HendersonHasselbalch方程一、Henderson-Hasselbalch方程按照普通化学的概念，在缓冲溶液中溶液的pH值与溶液所含弱酸盐和弱酸(如NaHCO3和H2CO3）的浓度比例有关。依据质量作用定律推导出的Henderson-Hasselbalch方程式准确地表达了这种关系，即pH＝pKa＋log〔BA〕〔HA式中HA代表弱酸，BA代表弱酸盐，pKa是弱酸解离常数的负对数。方程式表示，缓冲溶液的pH值等于弱酸解离常数的负对数加弱酸盐与弱酸浓度比值的对数值。正常人血浆NaHCO3的浓度为24mmol/L，H2CO3浓度1.2mmol/L，pKa等于6.1，代入Henderson-Hasselbalch方程式，则pH＝pKa＋log〔HCO3〕〔H2CO3〕＝6.1＋log241.2＝6.1＋log201138＝6.1＋1.301＝7.401运算结果表明，将血浆中NaHCO3和H2CO3的测得浓度代入方程式，就能计